温德尔斯坦7-X启动高功率微波束项目 将研制2兆瓦级回旋管

德国温德尔斯坦7-X(Wendelstein 7-X)聚变实验装置将推进下一代电子回旋共振加热技术研发。马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、斯图加特大学界面过程工程与等离子体技术研究所(IGVP)以及泰雷兹公司(Thales)正在联合开展“高功率微波束”(HiPMiB)项目，目标是研制输出功率达到2兆瓦的回旋管，并验证高功率微波束的可靠传输方案。

位于 Wendelstein 7-X 的微波传输镜 马克斯·普朗克等离子体物理研究所/弗兰克·弗莱施纳

该项目已于2026年1月启动，由IPP协调实施，获得德国联邦研究、技术和空间部(BMFTR)600万欧元资助。项目成果将用于位于格赖夫斯瓦尔德的温德尔斯坦7-X装置，并为未来聚变电站加热系统提供技术基础。

温德尔斯坦7-X是仿星器路线的重要聚变实验装置，核心任务是验证优化仿星器能否实现接近电站需求的长时间稳定运行。IPP研究人员重点关注两类问题：仿星器是否能够按照理论预期连续运行，以及聚变等离子体能否实现足够的热绝缘和粒子约束。后者是未来聚变电站运行的基本条件。

在已有实验中，温德尔斯坦7-X已取得多项进展。2023年，该装置首次产生持续8分钟、能量周转率较高的等离子体脉冲;未来几年，研究团队计划将目标脉冲长度推进至30分钟，以研究等离子体物理平衡及面向等离子体部件热平衡条件下的稳定运行问题。2025年，温德尔斯坦7-X还在长脉冲条件下实现了较高的能量约束时间，该指标用于衡量等离子体的热绝缘性能。

电子回旋共振加热(ECRH)是温德尔斯坦7-X的主要加热方式。该技术通过高频微波束加热等离子体，核心部件是作为微波源的回旋管。温德尔斯坦7-X虽还配备离子回旋共振加热(ICRH)和中性束注入(NBI)系统，但ECRH仍是最关键的加热手段，已帮助装置实现最高约4000万摄氏度的离子温度，并在较长脉冲时间内维持高温等离子体。

目前，温德尔斯坦7-X安装有11台回旋管，输出功率从早期原型机约0.6兆瓦到现有最高1.3兆瓦不等。研究团队认为，要验证优化仿星器能够稳定维持与反应堆相关的等离子体参数，现有功率仍不够。关键指标之一是归一化等离子体压力，即β值。对于温德尔斯坦7-X中与电站相关的等离子体，需要达到4%至5%的β值，以约束快离子。

IPP的HiPMiB项目负责人海因里希·拉夸(Heinrich Laqua)表示，研究团队估计，要达到上述β值，总加热功率最高需要约30兆瓦，其中ECRH预计将提供大部分功率。由于温德尔斯坦7-X仅有12个回旋管安装位，将单束微波功率提高至2兆瓦，被视为实现30兆瓦目标的经济且技术可行路径。按照项目设想，一台2兆瓦级回旋管的输出功率相当于约2000台家用微波炉，同时工作频率约高出50倍。

除研制高功率回旋管外，HiPMiB项目还将重点解决高功率微波传输问题。现有温德尔斯坦7-X传输系统需要从单波束1兆瓦提升至2兆瓦。斯图加特大学IGVP和IPP将负责推进从回旋管到真空室的微波传输技术研发。此前，持续时间超过5分钟的长脉冲曾因部件过热、真空阀密封环烧蚀等问题受到限制。新方案将继续采用准光学传输方式，通过反射镜传输微波束，并通过优化反射镜焦距拓宽波束，降低功率密度和部件应力。

在分工方面，KIT将利用其微波技术能力，开展短脉冲高功率回旋管的实验室测试与设计。回旋管冷却是项目难点之一，微波产生区域的谐振腔壁负载约为每平方米20兆瓦，接近铜制回旋管水冷能力上限。项目因此将研究微通道冷却技术，以提高散热效率。泰雷兹公司则将在相关基础上推进2兆瓦演示样机的工业化制造，目标是适用于半小时脉冲运行。

项目团队还计划使用干燥冷空气改善传输线冷却效果，并开发专门诊断系统，用于快速识别微波传输过程中可能出现的大气电弧放电。按照计划，HiPMiB项目周期为三年。研究团队希望通过这一项目，为未来聚变电站所需的高功率微波加热技术奠定基础，并进一步支撑温德尔斯坦7-X验证仿星器路线的可行性。